【正文】 2022/3/13 1 本章內(nèi)容 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的相關(guān)概念及組成 數(shù) 據(jù) 模 型 常用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)簡介 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展 數(shù)據(jù)庫技術(shù)新發(fā)展及新型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 本章主要介紹與數(shù)據(jù)庫技術(shù)有關(guān)的基本概念與術(shù)語。通過本章的學(xué)習(xí)，主要掌握 數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)模型及其三要素等知識，了解數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展、常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)的新發(fā)展，重點掌握概念模型、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式和二級映像功能 ，為后面的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 ?計算機誕生之初主要用于科學(xué)計算，隨著 軟、硬件技術(shù) 的發(fā)展，具有了數(shù)據(jù)處理能力 ?數(shù)據(jù)處理的中心問題是 數(shù)據(jù)管理 ?數(shù)據(jù)庫技術(shù) 是應(yīng)數(shù)據(jù)管理的任務(wù)而產(chǎn)生的，主要研究如何存儲、使用和管理數(shù)據(jù) ?數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷 三個階段 ： 手工管理、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 數(shù)據(jù)管理 是指對數(shù)據(jù)進行收集、組織、編碼、存儲、檢索和維護等活動 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展 數(shù)據(jù)管理技術(shù)的演變 手工管理階段 文件系統(tǒng)階段 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段 數(shù)據(jù)不保存，不共享，無獨立性， 無專用軟件管理數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)以文件形式長期保存，由文件系統(tǒng)管理 數(shù)據(jù) ，程序與數(shù)據(jù)間 有一定獨立性 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化 ，共享性高、冗余度低 ， 獨立性高 ，有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)控制功能 DBMS 數(shù)據(jù)的安全性控制 數(shù)據(jù)的完整性控制 并發(fā)控制 數(shù)據(jù)恢復(fù) ?簡介 ： ?特點 ： ? 數(shù)據(jù)不保存 ? 應(yīng)用程序管理數(shù)據(jù) ? 數(shù)據(jù) 不共享，冗余度大 ? 數(shù)據(jù) 不具有獨立性 20世紀(jì) 50年代中期以前 ，計算機硬件存儲設(shè)備主要有磁帶、卡片、紙帶等，還沒有磁盤等直接存取的存儲設(shè)備；軟件也處于初級階段，沒有操作系統(tǒng)和管理數(shù)據(jù)的工具。數(shù)據(jù)處理方式是批處理。數(shù)據(jù)的組織和管理完全靠程序員手工完成，該階段數(shù)據(jù)的管理效率很低 。 下頁展開 （ 1） 不保存數(shù)據(jù)。 計算機主要用于科學(xué)計算，不要求將數(shù)據(jù)長期保存，只是在每次計算時，將數(shù)據(jù)和程序輸入計算機內(nèi)存中，然后進行計算，最后將計算結(jié)果輸出。 （ 2） 應(yīng)用程序管理數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)需要由應(yīng)用程序管理，每個應(yīng)用程序不僅要考慮數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，還要考慮設(shè)計其物理結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)、存取方法和輸入方式等，使得程序員的工作量很大。 （ 3） 數(shù)據(jù)不共享，冗余度大。 每個程序都有自己的一組數(shù)據(jù)，程序與數(shù)據(jù)融為一體，相互依賴。當(dāng)多個應(yīng)用程序涉及某些相同的數(shù)據(jù)時，就勢必造成數(shù)據(jù)重復(fù)存儲的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為數(shù)據(jù)冗余。因此，程序之間有大量的冗余數(shù)據(jù)。 （ 4） 程序與數(shù)據(jù)不具有獨立性。 程序依賴于數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)的類型、格式或輸入 /輸出方式等邏輯結(jié)構(gòu)或物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，必須對應(yīng)用程序做相應(yīng)的修改，因而，數(shù)據(jù)與程序不具有獨立性，這也進一步增加了程序員的工作量。 2022/3/13 8 手工管理階段，應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系示意圖 手工管理階段 應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)間的關(guān)系 ?簡介 ： ?特點 ： ? 數(shù)據(jù)可以長期保存 ? 由 文件系統(tǒng) 管理數(shù)據(jù) ? 數(shù)據(jù) 共享性差、冗余度大 ? 數(shù)據(jù) 獨立性差 20世紀(jì) 50年代后期到 20世紀(jì) 60年代中期， 計算機得到了廣泛應(yīng)用。在硬件方面，已經(jīng)有了磁盤、磁鼓等直接存取的存儲設(shè)備；在軟件方面，有了操作系統(tǒng)和專門用于管理數(shù)據(jù)的應(yīng)用軟件，一般稱為文件系統(tǒng)。這時的計算機除了科學(xué)計算外，還被用來進行大量的數(shù)據(jù)處理。 下頁展開 （ 1）數(shù)據(jù)可以長期保存。 數(shù)據(jù)需要長期保留在外存上，以供查詢、修改、插入和刪除等操作。 （ 2）文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)。 文件系統(tǒng)把數(shù)據(jù)組織成內(nèi)部有一定結(jié)構(gòu)的記錄，并以文件的形式存儲在存儲設(shè)備上，這樣，程序只與存儲設(shè)備上的文件打交道， 不必關(guān)心數(shù)據(jù)的物理存儲 （存儲位置、結(jié)構(gòu)等），而由 文件系統(tǒng)提供的存取方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取，從而實現(xiàn)按文件名訪問，按記錄進行存取的管理技術(shù)。 （ 3）數(shù)據(jù)共享性差，冗余度大。 在文件系統(tǒng)中，一個文件基本上對應(yīng)一個應(yīng)用程序，即文件仍然是 面向應(yīng)用 的。當(dāng)不同的應(yīng)用程序具有部分相同的數(shù)據(jù)時，就會造成同一個 數(shù)據(jù)重復(fù)存儲 ，而必須建立各自的文件，不能共享相同的數(shù)據(jù)，因此 數(shù)據(jù)冗余度大 ，浪費存儲空間。同時，相同數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲、各自管理，可能 造成數(shù)據(jù)的不一致性 ，給數(shù)據(jù)維護帶來困難。 （ 4） 數(shù)據(jù)獨立性差。 文件系統(tǒng)中的文件是為某個特定應(yīng)用服務(wù)的， 文件的邏輯結(jié)構(gòu)對該應(yīng)用程序是最優(yōu)的 ，因此，想為現(xiàn)有的數(shù)據(jù)增加一些新的應(yīng)用是很困難的， 系統(tǒng)擴充性較差 。一旦數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，就必須修改應(yīng)用程序和文件結(jié)構(gòu)的定義；而如果應(yīng)用程序發(fā)生變化，如 改 用另一種程序設(shè)計 語言 來編寫程序，也 將引起文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的改變 。 2022/3/13 11 文件系統(tǒng)管理階段，應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系示意圖： 文件系統(tǒng)管理階段應(yīng)用 程序和數(shù)據(jù)間的關(guān)系 ?簡介 ： ?特點： ? 數(shù)據(jù)的 冗余度小 ,共享性、獨立性高 ? 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中化控制 ? 實現(xiàn) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化 ? 避免了 數(shù)據(jù)的不一致性 20世紀(jì) 60年代后期以來， 計算機用于管理數(shù)據(jù)的規(guī)模更為龐大，應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)據(jù)量也急劇增長。在計算機軟、硬件方面，已有了大容量的磁盤，硬件價格下降、軟件價格上升；在處理方式上， 聯(lián)機實時和分布式處理 的應(yīng)用更多。為滿足多用戶、多個應(yīng)用程序共享數(shù)據(jù)的需求，數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)運而生，出現(xiàn)了統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)的專門系統(tǒng)軟件，即數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（ DataBase Management System， DBMS）。 2022/3/13 13 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段 程序與數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系示意圖 60年代末開始，有統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)的專門系統(tǒng)軟件－ 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) (DBMS)。 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)管理技術(shù)發(fā)展的一個重大變革， 它將過去在文件系統(tǒng)中的以程序設(shè)計為核心、數(shù)據(jù)服從程序設(shè)計的數(shù)據(jù)管理模式改變?yōu)橐詳?shù)據(jù)庫設(shè)計為核心、應(yīng)用程序設(shè)計退居次位的數(shù)據(jù)管理模式 數(shù) 據(jù) 庫管 理 系 統(tǒng)應(yīng) 用 程 序 A應(yīng) 用 程 序 C應(yīng) 用 程 序 B數(shù) 據(jù) 庫?數(shù)據(jù)庫發(fā)展過程中 3個重要事件 （ 1） 1968年，美國 IBM公司研制、開發(fā)出世界上第一個商品化的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) IMS（ Information Management System），它是一個典型的 層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。 （ 2） 1969年，美國數(shù)據(jù)系統(tǒng)語言協(xié)會 CODASYL（ Conference on Data System Language）下屬的數(shù)據(jù)庫任務(wù)組 DBTG（ DataBase Task Group）發(fā)表了一系列研究數(shù)據(jù)庫方法的DBTG報告 ，提出了 網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型。 （ 3） 1970年，美國 IBM公司 San Jose研究實驗室的研究員 《 大型共享數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)關(guān)系模型 》 的論文，文中提出了數(shù)據(jù)庫的關(guān)系模型，定義了 關(guān)系數(shù)據(jù)庫 的基本概念，引進了 規(guī)范化理論 ，奠定了關(guān)系數(shù)據(jù)庫的堅實理論基礎(chǔ)，并一直沿用至今。 ?數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化 ?數(shù)據(jù)冗余度小、共享性高，避免了數(shù)據(jù)的不一致性 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化是文件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的根本區(qū)別之一。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采用一定的數(shù)據(jù)模型來組織、描述和存儲，數(shù)據(jù)模型不僅描述數(shù)據(jù)本身的特征，還能夠描述現(xiàn)實世界中各種 數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)間的聯(lián)系。 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是 面向所有用戶 的數(shù)據(jù)需求組織的，可以共享。因此，不同用戶、不同應(yīng)用可同時存取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，每個用戶或應(yīng)用只使用數(shù)據(jù)庫中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，同一數(shù)據(jù)可供 多個用戶共享 ，從而減少了不必要的數(shù)據(jù)冗余，節(jié)省了存儲空間，而且也 避免 了數(shù)據(jù)之間的 不一致性 ，即避免了同一數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的重復(fù)儲存。 在此需說明一點，從理論上講，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)應(yīng)該是冗余度越小越好。然而，在實際運行的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，為了提高查詢效率，在某種程度上仍然保留一些重復(fù)數(shù)據(jù)，稱為 可控冗余度 ，由系統(tǒng)負責(zé)對冗余數(shù)據(jù)的檢查、維護工作。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點 ?數(shù)據(jù)獨立性高（邏輯獨立性、物理獨立性） 在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)獨立性一般分為數(shù)據(jù)的邏輯獨立性和物理獨立性。 邏輯獨立性 是指 用戶的應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫的 邏輯結(jié)構(gòu) 是相互獨立的 ，數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，用戶的程序不需要改變。如在學(xué)生數(shù)據(jù)庫表中，原有學(xué)號、姓名、課程號、成績字段，在學(xué)生選課后，需要增加 “ 課程名 ” 字段，雖然數(shù)據(jù)庫表的邏輯結(jié)構(gòu)由（學(xué)號，姓名，課程號，成績）變?yōu)椋▽W(xué)號，姓名，課程號，課程名，成績）， 但在學(xué)生選課基本情況的查詢中，不需要改變應(yīng)用程序，整個系統(tǒng)仍然可以正常運行 。 物理獨立性 是 指數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)與邏輯結(jié)構(gòu)之間的相互獨立性 。 改變數(shù)據(jù)庫中的存儲結(jié)構(gòu)時，不影響邏輯結(jié)構(gòu)，只要不改變邏輯結(jié)構(gòu)，就不影響應(yīng)用程序 。如若某個 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)升級或進行了數(shù)據(jù)庫遷移 ，管理系統(tǒng)一般會將以前的存儲結(jié)構(gòu)用新的存儲方式進行存儲，但邏輯結(jié)構(gòu)是不變的，所以也不需要改變應(yīng)用程序。 體現(xiàn)三個層次的獨立的關(guān)系 ?統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理和控制功能 在數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理方式下，應(yīng)用程序不能直接存取數(shù)據(jù)，必須通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)這個中間接口才能訪問數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理和控制的。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)必須提供以下 4個方面的數(shù)據(jù)控制功能： （ 1）數(shù)據(jù)的安全性（ Security）保護。 （ 2）數(shù)據(jù)的完整性（ Integrity）控制。 （ 3）